Java集合 --- HashMap底层实现和原理(源码解析)

概述

文章的内容基于JDK1.7进行分析,之所以选用这个版本,是因为1.8的有些类做了改动,增加了阅读的难度,虽然是1.7,但是对于1.8做了重大改动的内容,文章也会进行说明。

HashMap基于Map接口实现,元素以键值对的方式存储,并且允许使用null 建和null 值, 因为key不允许重复,因此只能有一个键为null,另外HashMap不能保证放入元素的顺序,它是无序的,和放入的顺序并不能相同。HashMap是线程不安全的。

数据结构

继承关系
public class HashMap<K,V>extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable

实现接口
Serializable, Cloneable, Map<K,V> 
基本属性
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; //默认初始化大小 16 
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;     //负载因子0.75
static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};         //初始化的默认数组
transient int size;     //HashMap中元素的数量
int threshold;          //判断是否需要调整HashMap的容量
源码解析
HashMap底层数据存储结构.png

在进行源码解析之前,先从总体上对HashMap的数据存储结构进行一个大体上的说明。存储结构如上图所示。

HashMap采用Entry数组来存储key-value对,每一个键值对组成了一个Entry实体,Entry类实际上是一个单向的链表结构,它具有Next指针,可以连接下一个Entry实体,依次来解决Hash冲突的问题,因为HashMap是按照Key的hash值来计算Entry在HashMap中存储的位置的,如果hash值相同,而key内容不相等,那么就用链表来解决这种hash冲突。

public class HashMap<K,V> extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
{

    //默认初始化的容量
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

    //最大的容量
    static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;

    //负载因子,当容量达到75%时就进行扩容操作
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    //当数组还没有进行扩容操作的时候,共享的一个空表对象
    static final Entry<?,?>[] EMPTY_TABLE = {};

    //table,进行扩容操作,长度必须2的n次方
    transient Entry<K,V>[] table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

    //Map中包含的元素数量
    transient int size;

    //阈值,用于判断是否需要扩容(threshold = 容量*负载因子)
    int threshold;

    //加载因子实际的大小
    final float loadFactor;

    //HashMap改变的次数
    transient int modCount;

   
    static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT = Integer.MAX_VALUE;

    //内部类,通过vm来修改threshold的值
    private static class Holder {

        /**
         * Table capacity above which to switch to use alternative hashing.
         */
        static final int ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD;

        static {
            String altThreshold = java.security.AccessController.doPrivileged(
                new sun.security.action.GetPropertyAction(
                    "jdk.map.althashing.threshold")); //读取值

            int threshold;
            try {
                threshold = (null != altThreshold)   //修改值
                        ? Integer.parseInt(altThreshold)
                        : ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD_DEFAULT;

                // disable alternative hashing if -1
                if (threshold == -1) {
                    threshold = Integer.MAX_VALUE; //设置为Integer能表示的最大值
                }

                if (threshold < 0) {
                    throw new IllegalArgumentException("value must be positive integer.");
                }
            } catch(IllegalArgumentException failed) {
                throw new Error("Illegal value for 'jdk.map.althashing.threshold'", failed);
            }

            ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD = threshold;  //返回
        }
    }

    //HashCode的初始值为 0 
    transient int hashSeed = 0;

    //构造方法,指定初始容量和负载因子
    public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
        if (initialCapacity < 0)
            throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: " +
                                               initialCapacity);
        if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
            initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
            throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);

        this.loadFactor = loadFactor; //设置负载因子
        threshold = initialCapacity; //初始容量
        init(); //不做任何操作
    }

    //构造方法,指定了初始容量
    public HashMap(int initialCapacity) {
        this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    //无参构造方法,使用默认的容量大小和负载因子,并调用其他的构造方法
    public HashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
    }

    //构造函数,参数为指定的Map集合
    public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        this(Math.max((int) (m.size() / DEFAULT_LOAD_FACTOR) + 1,
                      DEFAULT_INITIAL_CAPACITY), DEFAULT_LOAD_FACTOR);
        inflateTable(threshold);

        putAllForCreate(m);
    }
    //选择合适的容量值,最好是number的2的幂数
    private static int roundUpToPowerOf2(int number) {
        // assert number >= 0 : "number must be non-negative";
        return number >= MAXIMUM_CAPACITY
                ? MAXIMUM_CAPACITY
                : (number > 1) ? Integer.highestOneBit((number - 1) << 1) : 1;
    }

    //扩充表,HashMap初始化时是一个空数组,此方法执行重新复制操作,创建一个新的Entry[]
    private void inflateTable(int toSize) {
        // Find a power of 2 >= toSize
        int capacity = roundUpToPowerOf2(toSize); //capacity为2的幂数,大于等于toSize

        threshold = (int) Math.min(capacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
        table = new Entry[capacity];  //新建数组,并重新赋值
        initHashSeedAsNeeded(capacity);  //修改hashSeed 
    }

    // internal utilities

    //初始化
    void init() {
    }

    //与虚拟机设置有关,改变hashSeed的值
    final boolean initHashSeedAsNeeded(int capacity) {
        boolean currentAltHashing = hashSeed != 0;
        boolean useAltHashing = sun.misc.VM.isBooted() &&
                (capacity >= Holder.ALTERNATIVE_HASHING_THRESHOLD);
        boolean switching = currentAltHashing ^ useAltHashing;
        if (switching) {
            hashSeed = useAltHashing
                ? sun.misc.Hashing.randomHashSeed(this)
                : 0;
        }
        return switching;
    }

    //计算k 的 hash值
    final int hash(Object k) {
        int h = hashSeed;
        if (0 != h && k instanceof String) {
            return sun.misc.Hashing.stringHash32((String) k);
        }

        h ^= k.hashCode();

        // This function ensures that hashCodes that differ only by
        // constant multiples at each bit position have a bounded
        // number of collisions (approximately 8 at default load factor).
        h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
        return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
    }

    //根据hashcode,和表的长度,返回存放的索引
    static int indexFor(int h, int length) {
        // assert Integer.bitCount(length) == 1 : "length must be a non-zero power of 2";
        return h & (length-1);
    }

    //返回Map中键值对的数量
    public int size() {
        return size;
    }

    //判断集合是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    //返回key ,对应的值
    public V get(Object key) {
        if (key == null)
            return getForNullKey();
        Entry<K,V> entry = getEntry(key);

        return null == entry ? null : entry.getValue();
    }

    //返回null键的值
    private V getForNullKey() {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null)
                return e.value;
        }
        return null;
    }

    //是否包含键为key的元素
    public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }

    //返回键为key 的entry实体,不存在返回null
    final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }

        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);  //计算key的 hash值
        //定位到Entry[] 数组中的存储位置,开始遍历该位置是否有链表存在
        for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
             e != null;
             e = e.next) {
            Object k;
            //判断是否有键位key 的entry实体。有就返回。
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                return e;
        }
        return null;
    }

      //向map中添加key-value 键值对,如果可以包含了key的映射,则旧的value将被替换
    public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) {  //table如果为空,进行初始化操作
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null)  //key 为null ,放入数组的0号索引位置
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key);   //计算key的hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算key在entry数组中存储的位置
        //判断该位置是否已经有元素存在
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            //判断key是否已经在map中存在,若存在用新的value替换掉旧的value,并返回旧的value
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);  //空方法
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++; //修改次数加1 
        addEntry(hash, key, value, i); //将key-value转化为Entry实体,添加到Map中
        return null;
    }

    //key = null, 对应的操作,keyweinull ,存放在entry[]中的0号位置。并用新值替换旧值
    private V putForNullKey(V value) {
        for (Entry<K,V> e = table[0]; e != null; e = e.next) {
            if (e.key == null) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }
        modCount++;
        addEntry(0, null, value, 0);
        return null;
    }

    //私有方法,添加元素
    private void putForCreate(K key, V value) {
        int hash = null == key ? 0 : hash(key); //计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length); //计算在HashMap中的存储位置

        //遍历i号存储位置的链表
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                e.value = value;
                return;
            }
        }
        //创建Entry实体,存放到i号位置中
        createEntry(hash, key, value, i);
    }
    //将m中的元素添加到HashMap中
    private void putAllForCreate(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
            putForCreate(e.getKey(), e.getValue());
    }

    //扩容操作
    void resize(int newCapacity) {
        Entry[] oldTable = table;     //将table赋值给新的引用
        int oldCapacity = oldTable.length;
        if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return;
        }
        //创建一个长度为newCapacity的数组
        Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];  
        //将table中的元素复制到newTable中
        transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
        table = newTable;
        //更改阈值
        threshold = (int)Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
    }

    //将table中的数据复制到newTable中
    void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
        int newCapacity = newTable.length;
        for (Entry<K,V> e : table) {
            while(null != e) {
                Entry<K,V> next = e.next;
                if (rehash) { //是否需要重新计算Hash值
                    e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
                }
                int i = indexFor(e.hash, newCapacity); //计算存储的位置
                e.next = newTable[i];
                newTable[i] = e;
                e = next;
            }
        }
    }

    //将m中的元素全部添加到HashMap中
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        int numKeysToBeAdded = m.size();
        if (numKeysToBeAdded == 0) //为空返回
            return;

        if (table == EMPTY_TABLE) { //是否需要执行初始化操作
            inflateTable((int) Math.max(numKeysToBeAdded * loadFactor, threshold));
        }

        //判断是否需要扩容
        if (numKeysToBeAdded > threshold) {
            int targetCapacity = (int)(numKeysToBeAdded / loadFactor + 1);
            if (targetCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
                targetCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
            int newCapacity = table.length;
            while (newCapacity < targetCapacity)
                newCapacity <<= 1;
            if (newCapacity > table.length)
                resize(newCapacity);
        }
        //执行添加操作
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet())
            put(e.getKey(), e.getValue());
    }

    //删除key ,并返回key对应的value值
    public V remove(Object key) {
        Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
        return (e == null ? null : e.value);
    }

    //返回key对应的实体
    final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
        if (size == 0) {
            return null;
        }
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key); //计算key的hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算存储位置
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            Object k;
            if (e.hash == hash &&
                ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next; //链表删除
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

    //删除一个指定的实体
    final Entry<K,V> removeMapping(Object o) {
        if (size == 0 || !(o instanceof Map.Entry))
            return null;

        Map.Entry<K,V> entry = (Map.Entry<K,V>) o;
        Object key = entry.getKey();
        int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
        int i = indexFor(hash, table.length);
        Entry<K,V> prev = table[i];
        Entry<K,V> e = prev;

        while (e != null) {
            Entry<K,V> next = e.next;
            if (e.hash == hash && e.equals(entry)) {
                modCount++;
                size--;
                if (prev == e)
                    table[i] = next;
                else
                    prev.next = next;
                e.recordRemoval(this);
                return e;
            }
            prev = e;
            e = next;
        }

        return e;
    }

    //删除map
    public void clear() {
        modCount++;
        Arrays.fill(table, null);
        size = 0;
    }

    //判断是否包含指定value的实体
    public boolean containsValue(Object value) {
        if (value == null)
            return containsNullValue();

        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (value.equals(e.value))
                    return true;
        return false;
    }

    //是否包含value== null 
    private boolean containsNullValue() {
        Entry[] tab = table;
        for (int i = 0; i < tab.length ; i++)
            for (Entry e = tab[i] ; e != null ; e = e.next)
                if (e.value == null)
                    return true;
        return false;
    }

    //重写克隆方法
    public Object clone() {
        HashMap<K,V> result = null;
        try {
            result = (HashMap<K,V>)super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            // assert false;
        }
        if (result.table != EMPTY_TABLE) {
            result.inflateTable(Math.min(
                (int) Math.min(
                    size * Math.min(1 / loadFactor, 4.0f),
                    // we have limits...
                    HashMap.MAXIMUM_CAPACITY),
               table.length));
        }
        result.entrySet = null;
        result.modCount = 0;
        result.size = 0;
        result.init();
        result.putAllForCreate(this);

        return result;
    }
    //静态内部类 ,Entry用来存储键值对,HashMap中的Entry[]用来存储entry
    static class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
        final K key;   //键
        V value;        //值
        Entry<K,V> next;  //采用链表存储HashCode相同的键值对,next指向下一个entry
        int hash;   //entry的hash值

        //构造方法, 负责初始化entry
        Entry(int h, K k, V v, Entry<K,V> n) {
            value = v;
            next = n;
            key = k;
            hash = h;
        }

        public final K getKey() {
            return key;
        }

        public final V getValue() {
            return value;
        }

        public final V setValue(V newValue) {
            V oldValue = value;
            value = newValue;
            return oldValue;
        }

        public final boolean equals(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry e = (Map.Entry)o;
            Object k1 = getKey();
            Object k2 = e.getKey();
            if (k1 == k2 || (k1 != null && k1.equals(k2))) {
                Object v1 = getValue();
                Object v2 = e.getValue();
                if (v1 == v2 || (v1 != null && v1.equals(v2)))
                    return true;
            }
            return false;
        }

        public final int hashCode() {
            return Objects.hashCode(getKey()) ^ Objects.hashCode(getValue());
        }

        public final String toString() {
            return getKey() + "=" + getValue();
        }

        //当使用相同的key的value被覆盖时调用
        void recordAccess(HashMap<K,V> m) {
        }

        //每移除一个entry就被调用一次
        void recordRemoval(HashMap<K,V> m) {
        }
    }

    //添加实体
    void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
            resize(2 * table.length);
            hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
            bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
        }

        createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
    }

    //创建实体
    void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
        Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
        table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
        size++;
    }
    //内部类实现Iterator接口,进行遍历操作
    private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        Entry<K,V> next;        // next entry to return
        int expectedModCount;   // For fast-fail
        int index;              // current slot
        Entry<K,V> current;     // current entry

        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { // advance to first entry
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
        }
        //是否有下一个元素
        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }
        //返回下一个元素
        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Entry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();

            if ((next = e.next) == null) {
                Entry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }
        //删除
        public void remove() {
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Object k = current.key;
            current = null;
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }

    private final class ValueIterator extends HashIterator<V> {
        public V next() {
            return nextEntry().value;
        }
    }

    private final class KeyIterator extends HashIterator<K> {
        public K next() {
            return nextEntry().getKey();
        }
    }

    private final class EntryIterator extends HashIterator<Map.Entry<K,V>> {
        public Map.Entry<K,V> next() {
            return nextEntry();
        }
    }

    // Subclass overrides these to alter behavior of views' iterator() method
    Iterator<K> newKeyIterator()   {
        return new KeyIterator();
    }
    Iterator<V> newValueIterator()   {
        return new ValueIterator();
    }
    Iterator<Map.Entry<K,V>> newEntryIterator()   {
        return new EntryIterator();
    }


    // Views

    private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;

    //返回key组成的Set集合
    public Set<K> keySet() {
        Set<K> ks = keySet;
        return (ks != null ? ks : (keySet = new KeySet()));
    }

    private final class KeySet extends AbstractSet<K> {
        public Iterator<K> iterator() {
            return newKeyIterator();
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public boolean contains(Object o) {
            return containsKey(o);
        }
        public boolean remove(Object o) {
            return HashMap.this.removeEntryForKey(o) != null;
        }
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
    }

    //返回Value组成的集合
    public Collection<V> values() {
        Collection<V> vs = values;
        return (vs != null ? vs : (values = new Values()));
    }

    private final class Values extends AbstractCollection<V> {
        public Iterator<V> iterator() {
            return newValueIterator();
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public boolean contains(Object o) {
            return containsValue(o);
        }
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
    }

    
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        return entrySet0();
    }

    private Set<Map.Entry<K,V>> entrySet0() {
        Set<Map.Entry<K,V>> es = entrySet;
        return es != null ? es : (entrySet = new EntrySet());
    }

    private final class EntrySet extends AbstractSet<Map.Entry<K,V>> {
        public Iterator<Map.Entry<K,V>> iterator() {
            return newEntryIterator();
        }
        public boolean contains(Object o) {
            if (!(o instanceof Map.Entry))
                return false;
            Map.Entry<K,V> e = (Map.Entry<K,V>) o;
            Entry<K,V> candidate = getEntry(e.getKey());
            return candidate != null && candidate.equals(e);
        }
        public boolean remove(Object o) {
            return removeMapping(o) != null;
        }
        public int size() {
            return size;
        }
        public void clear() {
            HashMap.this.clear();
        }
    }

    //将对象写入到输出流中
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws IOException
    {
        // Write out the threshold, loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultWriteObject();

        // Write out number of buckets
        if (table==EMPTY_TABLE) {
            s.writeInt(roundUpToPowerOf2(threshold));
        } else {
           s.writeInt(table.length);
        }

        // Write out size (number of Mappings)
        s.writeInt(size);

        // Write out keys and values (alternating)
        if (size > 0) {
            for(Map.Entry<K,V> e : entrySet0()) {
                s.writeObject(e.getKey());
                s.writeObject(e.getValue());
            }
        }
    }

    private static final long serialVersionUID = 362498820763181265L;
    //从输入流中读取对象
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
         throws IOException, ClassNotFoundException
    {
        // Read in the threshold (ignored), loadfactor, and any hidden stuff
        s.defaultReadObject();
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) {
            throw new InvalidObjectException("Illegal load factor: " +
                                               loadFactor);
        }

        // set other fields that need values
        table = (Entry<K,V>[]) EMPTY_TABLE;

        // Read in number of buckets
        s.readInt(); // ignored.

        // Read number of mappings
        int mappings = s.readInt();
        if (mappings < 0)
            throw new InvalidObjectException("Illegal mappings count: " +
                                               mappings);

        // capacity chosen by number of mappings and desired load (if >= 0.25)
        int capacity = (int) Math.min(
                    mappings * Math.min(1 / loadFactor, 4.0f),
                    // we have limits...
                    HashMap.MAXIMUM_CAPACITY);

        // allocate the bucket array;
        if (mappings > 0) {
            inflateTable(capacity);
        } else {
            threshold = capacity;
        }

        init();  // Give subclass a chance to do its thing.

        // Read the keys and values, and put the mappings in the HashMap
        for (int i = 0; i < mappings; i++) {
            K key = (K) s.readObject();
            V value = (V) s.readObject();
            putForCreate(key, value);
        }
    }

    // These methods are used when serializing HashSets
    int   capacity()     { return table.length; }
    float loadFactor()   { return loadFactor;   }
}

重要方法深度解析
构造方法
HashMap()    //无参构造方法
HashMap(int initialCapacity)  //指定初始容量的构造方法 
HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) //指定初始容量和负载因子
HashMap(Map<? extends K,? extends V> m)  //指定集合,转化为HashMap

HashMap提供了四个构造方法,构造方法中 ,依靠第三个方法来执行的,但是前三个方法都没有进行数组的初始化操作,即使调用了构造方法此时存放HaspMap中数组元素的table表长度依旧为0 。在第四个构造方法中调用了inflateTable()方法完成了table的初始化操作,并将m中的元素添加到HashMap中。

添加方法
 public V put(K key, V value) {
        if (table == EMPTY_TABLE) { //是否初始化
            inflateTable(threshold);
        }
        if (key == null) //放置在0号位置
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key); //计算hash值
        int i = indexFor(hash, table.length);  //计算在Entry[]中的存储位置
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i); //添加到Map中
        return null;
}

在该方法中,添加键值对时,首先进行table是否初始化的判断,如果没有进行初始化(分配空间,Entry[]数组的长度)。然后进行key是否为null的判断,如果key==null ,放置在Entry[]的0号位置。计算在Entry[]数组的存储位置,判断该位置上是否已有元素,如果已经有元素存在,则遍历该Entry[]数组位置上的单链表。判断key是否存在,如果key已经存在,则用新的value值,替换点旧的value值,并将旧的value值返回。如果key不存在于HashMap中,程序继续向下执行。将key-vlaue, 生成Entry实体,添加到HashMap中的Entry[]数组中。

addEntry()
/*
 * hash hash值
 * key 键值
 * value value值
 * bucketIndex Entry[]数组中的存储索引
 * / 
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
     if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
         resize(2 * table.length); //扩容操作,将数据元素重新计算位置后放入newTable中,链表的顺序与之前的顺序相反
         hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
         bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
     }

    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void createEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    Entry<K,V> e = table[bucketIndex];
    table[bucketIndex] = new Entry<>(hash, key, value, e);
    size++;
}

添加到方法的具体操作,在添加之前先进行容量的判断,如果当前容量达到了阈值,并且需要存储到Entry[]数组中,先进性扩容操作,空充的容量为table长度的2倍。重新计算hash值,和数组存储的位置,扩容后的链表顺序与扩容前的链表顺序相反。然后将新添加的Entry实体存放到当前Entry[]位置链表的头部。在1.8之前,新插入的元素都是放在了链表的头部位置,但是这种操作在高并发的环境下容易导致死锁,所以1.8之后,新插入的元素都放在了链表的尾部。

获取方法
public V get(Object key) {
     if (key == null)
         //返回table[0] 的value值
         return getForNullKey();
     Entry<K,V> entry = getEntry(key);

     return null == entry ? null : entry.getValue();
}
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }

     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     for (Entry<K,V> e = table[indexFor(hash, table.length)];
         e != null;
         e = e.next) {
         Object k;
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return e;
      }
     return null;
}

在get方法中,首先计算hash值,然后调用indexFor()方法得到该key在table中的存储位置,得到该位置的单链表,遍历列表找到key和指定key内容相等的Entry,返回entry.value值

删除方法
public V remove(Object key) {
     Entry<K,V> e = removeEntryForKey(key);
     return (e == null ? null : e.value);
}
final Entry<K,V> removeEntryForKey(Object key) {
     if (size == 0) {
         return null;
     }
     int hash = (key == null) ? 0 : hash(key);
     int i = indexFor(hash, table.length);
     Entry<K,V> prev = table[i];
     Entry<K,V> e = prev;

     while (e != null) {
         Entry<K,V> next = e.next;
         Object k;
         if (e.hash == hash &&
             ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k)))) {
             modCount++;
             size--;
             if (prev == e)
                 table[i] = next;
             else
                 prev.next = next;
             e.recordRemoval(this);
             return e;
         }
         prev = e;
         e = next;
    }

    return e;
}

删除操作,先计算指定key的hash值,然后计算出table中的存储位置,判断当前位置是否Entry实体存在,如果没有直接返回,若当前位置有Entry实体存在,则开始遍历列表。定义了三个Entry引用,分别为pre, e ,next。 在循环遍历的过程中,首先判断pre 和 e 是否相等,若相等表明,table的当前位置只有一个元素,直接将table[i] = next = null 。若形成了pre -> e -> next 的连接关系,判断e的key是否和指定的key 相等,若相等则让pre -> next ,e 失去引用。

JDK 1.8的 改变

在Jdk1.8中HashMap的实现方式做了一些改变,但是基本思想还是没有变得,只是在一些地方做了优化,下面来看一下这些改变的地方,数据结构的存储由数组+链表的方式,变化为数组+链表+红黑树的存储方式,在性能上进一步得到提升。

数据存储方式
java1.8 HashMap数据存储结构变化.png
put方法简单解析
public V put(K key, V value) {
    //调用putVal()方法完成
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    //判断table是否初始化,否则初始化操作
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
    //计算存储的索引位置,如果没有元素,直接赋值
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        //节点若已经存在,执行赋值操作
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //判断链表是否是红黑树
        else if (p instanceof TreeNode)
            //红黑树对象操作
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //为链表,
            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    //链表长度8,将链表转化为红黑树存储
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                //key存在,直接覆盖
                if (e.hash == hash &&
                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //记录修改次数
    ++modCount;
    //判断是否需要扩容
    if (++size > threshold)
        resize();
    //空操作
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

下面将这个过程总结一下:

  1. 如果当前map中没有数据,执行resize方法
  2. 如果要插入的键值对要存放的位置上刚好没有元素,那么就把它封装成Node对象,并放在这个位置上。
  3. 如果发生碰撞,判断node的类型是红黑树还是链表:
    3.1 如果为红黑树,则将K-V对插在红黑树对应的位置。
    3.2 如果为链表,遍历链表:
     a.如果为链表最后一个node ,则将新的node节点插入到链表尾
     b.插入完,如果链表的node数量大于8,则将链表转为红黑树的操作;如果当前哈希表为空或数组长度小于64,会扩容,否则转化为红黑树。转化的过程:先遍历链表 ,将链表的节点转化为红黑树的节点;然后将链表转化为红黑树。
    c.遍历链表时,如果key已存在,则直接bredk循环。
  4. 判断是否要扩容
  5. 返回

总结

HashMap采用hash算法来决定Map中key的存储,并通过hash算法来增加集合的大小。hash表里可以存储元素的位置称为桶,如果通过key计算hash值发生冲突时,那么将采用链表的形式,来存储元素。HashMap的扩容操作是一项很耗时的任务,所以如果能估算Map的容量,最好给它一个默认初始值,避免进行多次扩容。HashMap的线程是不安全的,多线程环境中推荐是ConcurrentHashMap。

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